汽化器傳熱設(shè)計計算

1、85%汽化器傳熱設(shè)計計算汽化器傳熱設(shè)計計算總則（成都清源低溫科技有限公司技術(shù)部王道德）引言空溫式汽化器是通過吸收外界環(huán)境中的熱量并傳遞給低溫介質(zhì)使其汽 化的設(shè)備。由于其具備結(jié)構(gòu)簡單、運 行成本低廉等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于低溫液 體汽化器、低溫貯運設(shè)備自增壓器等。實際應(yīng)用中，低溫工況下星型翅 片導(dǎo)熱管汽化器普遍存在結(jié)霜現(xiàn)象， 考慮地區(qū)、溫度和季節(jié)變化在內(nèi)，各 種汽化器的結(jié)霜面積大約占總面積的60%霜層在星型翅片導(dǎo)熱管表面的沉積增加了冷壁面與空氣間的導(dǎo) 熱熱阻，減弱了傳熱效果，同時，霜 層的增長產(chǎn)生的阻塞作用大大增加了 空氣流過汽化器的阻力，造成氣流流 量的下降，使汽化器的換熱量大大地 減少。以往的空溫式

2、汽化器都是依據(jù) 現(xiàn)有的相關(guān)經(jīng)驗來進行設(shè)計制造的， 并且忽略了星型翅片導(dǎo)熱管在結(jié)霜工 況下對傳熱性能的影響，實際應(yīng)用偏 差較大，有些汽化量不足，影響生產(chǎn), 過大則造成不必要的浪費。因此如何 合理設(shè)計空溫式汽化器，方便工程應(yīng) 用是當前急需解決的問題。國內(nèi)文獻 對此進行過不少的理論分析與實驗研 究，目前仍未得岀一個比較實用且相 對精確的關(guān)聯(lián)式。本文探討這些問題 在于為空溫式汽化器的設(shè)計計算提供 參考依據(jù)。空溫式汽化器結(jié)構(gòu)示意圖2傳熱量的計算由熱力學(xué)相關(guān)知識可知，汽化器 管內(nèi)工作介質(zhì)的壓力在臨界壓力以 上，溫度低于臨界溫度時為液體，高 于臨界溫度時為氣體；在臨界壓力和 臨界溫度以下時，有一相變的氣兩相

3、區(qū)，溫度高于壓力對應(yīng)的飽和溫 度時為氣體，低于飽和溫度時為過冷 液體。如果壓力高于臨界壓力，它的 換熱特點是分為預(yù)熱段（臨界溫度以 下）和蒸發(fā)段（臨界溫度以上）兩個 區(qū)段，沒有兩相共存的汽化階段。因 此，介質(zhì)的壓力和溫度決定汽化器的 設(shè)計方案，不同的流態(tài)傳熱特性有很 大差別，需分別考慮、計算。本文選定的空溫式汽化器為LNG高壓汽化器，LNG進口溫度為-162C,工作壓力為25M Pa。所以，LNG在星型翅片導(dǎo)熱管內(nèi)吸熱經(jīng)液相、氣相兩 種相變過程，不考慮氣液兩相區(qū)汽化 階段。星型翅片導(dǎo)熱管結(jié)構(gòu)示意圖按照熱力學(xué)第一定律，汽化器的 汽化過程中吸收的總熱量，有如下關(guān) 系式：nQQh h mQinout

4、Q為星型翅片導(dǎo)熱管在單位時間內(nèi)的傳熱量KJ/sm為單位時間內(nèi)汽化液體質(zhì)量Kg33out為汽化器出口氣體焓值一一KJ / kghin為汽化器進口液體焓值KJ / kgQl為單排星型翅片導(dǎo)熱管液相區(qū)單位 時間內(nèi)的傳熱量KJ/sQg為單排星型翅片導(dǎo)熱管氣相區(qū)單位 時間內(nèi)的傳熱量KJ/sn為星型翅片導(dǎo)熱管的排數(shù)傳熱系數(shù)的確定空溫式汽化器管內(nèi)流動著低溫液 體，液體吸熱產(chǎn)生相變。同時星型翅 片導(dǎo)熱管表面溫度低于周圍環(huán)境空氣 的露點溫度，星型翅片導(dǎo)熱管表面結(jié) 霜，不同相區(qū)霜層厚度不同，導(dǎo)熱熱 阻也不同。汽化器從開啟到正常運行 傳熱與熱阻要經(jīng)歷非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個 階段：在非穩(wěn)態(tài)階段霜開始形成時表 面粗糙度增大，

5、引起傳熱面積增大， 同時氣體流速也增大，穩(wěn)態(tài)工作時， 汽化器表面的霜層厚度要比非穩(wěn)態(tài)時 的大，而且隨著霜層厚度的增大翅片 間的空氣流道不斷減小，增大了空氣 流通阻力進而增大傳熱熱阻。因此， 汽化器工作時相同的產(chǎn)氣量在穩(wěn)態(tài)傳 熱時需要的傳熱面積要大，作為計算 的上限值，而非穩(wěn)態(tài)不考慮結(jié)霜的傳 熱面積作為計算的下限值。低溫工質(zhì)的傳熱過程十分復(fù)雜，本文對計算過程進行了適當?shù)暮喕毓艹谭譃閮啥危簡蜗嘁后w對流換熱區(qū)、單相氣體對流換熱區(qū);各相區(qū)采用均相模型；傳熱管壁僅考慮徑向?qū)峥倐鳠嵯禂?shù)按照下式確定:04422111111其中，總傳熱系數(shù)中構(gòu)成值由下式推導(dǎo)而得出：33033302)12) tanh(b

6、m mh mhR為污垢熱阻m2K /W1為星型翅片導(dǎo)熱管壁厚一一m1為星型翅片導(dǎo)熱管導(dǎo)熱系數(shù)W /( m K )2為霜層厚度一一m為霜的導(dǎo)熱系數(shù)W / (mK)3為翅片厚度一一m3為翅片導(dǎo)熱系數(shù)一一W / (mK)3為不銹鋼內(nèi)襯厚度m4為不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)W / (mK)44為翅片的總效率0為空氣對流換熱系數(shù)一一W /( m2K )1為管內(nèi)流體對流換熱系數(shù)一W /( m2K )b為翅片寬度一一m為翅片高度一一3為肋化系數(shù) 因為鋁和不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)遠大 于管外空氣自然對流換熱系數(shù)，因此, 在實際設(shè)計過程中將式中的4和項略去，最后得到如下公式:02211113.1空氣側(cè)對流換熱系數(shù)0的確定由于結(jié)霜后翅

7、片表面粗糙度增加，一般的，空氣與霜層之間的換熱 系數(shù)a0=(1. 21.3 )aw,aw為汽化器未結(jié)霜時的外表面換熱系數(shù)?？諟?式汽化器都采用星型星型翅片導(dǎo)熱管，對于星型星型翅片導(dǎo)熱管可按空 氣對平壁的自然對流換熱準則方程式 來求解aw層流(Ra=Gr Pr=2 X1048X109)4/1Pr)(540GrNu紊流(Ra=Gr Pr=8 x1098x1011)3/1Pr)(540GrNu(5)其中格拉曉夫準數(shù)Gr由下式確23TI gGr(6)Ra為瑞利數(shù)Pr為普朗特數(shù)Nu為努謝爾特數(shù)B為體脹系數(shù)一一1/Kg為重力加速度m/s2下載文檔到電腦，查找使用更方便1下載券 8人已下載異下載還剩2頁未讀

8、，繼續(xù)閱讀定制HR最喜歡的簡歷 我要定制簡歷l為星型翅片導(dǎo)熱管長度一一mT為流體和管壁間溫度差一一K為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)一W / (mK)由式求得星型翅片導(dǎo)熱管未結(jié) 霜時外表面對流換熱系數(shù)：lNu3.2霜層導(dǎo)熱系數(shù)入2的計算研究表明霜層導(dǎo)熱系數(shù)主要取決 于密度，但也取決于霜層的微觀結(jié)構(gòu), 它是霜層結(jié)構(gòu)、霜層內(nèi)溫度梯度引起 水蒸氣擴散及凝華潛熱釋放和霜表面 粗糙度引起渦流效應(yīng)相互作用的結(jié) 果。目前應(yīng)用最廣泛的是：Yonko和Sep Sy提出的導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式：入2=0.02422+7.214 X10 -4fr+1.1797 X10-6Pfr2(8)Pfr為霜的密度一一Kg/m3霜的密度Pfr主要與霜層

9、表面溫度Tfr和風(fēng)速ufr有關(guān)。霜層密度由下式確定:urTfffr253404550(9)空溫式汽化器在工作過程中都會 結(jié)霜，前幾排管子的結(jié)霜一般較嚴重, 而后幾排管子的結(jié)霜相對較輕。在相 同的換熱面積的情況下，星型翅片導(dǎo) 熱管間距越大、管排數(shù)越少、表面結(jié) 霜速度就越慢，但是管排數(shù)減少會影 響汽化器的緊湊性。因此，空溫式汽 化器要充分考慮其結(jié)構(gòu)的合理性，在 對汽化器的體積要求不是很嚴格的情 況下，可以適當增大星型翅片導(dǎo)熱管 間距、減少管排數(shù)來減少結(jié)霜。3.3管內(nèi)流體對流換熱系數(shù)a1計算由流體的物性參數(shù)求得雷諾數(shù)DRe，判斷流體是層流還是湍流，然后根據(jù)流態(tài)計算流動摩擦系數(shù)。 因為，管內(nèi)流體采用分

10、區(qū)計算的方法, 所以計算參數(shù)也應(yīng)按相應(yīng)流態(tài)選取； 摩擦系數(shù)決定于壁表面的粗糙度Ks和Re層流時：認為粗糙度對于換熱的 影響可忽略，摩擦系數(shù)僅與雷諾數(shù)有 關(guān)，由下式確定：Re64(13(13(10)湍流時：由相關(guān)表中查得粗糙度 后，由式(11)或簡化式(12)22)計算湍流摩擦系數(shù)，對于已有的實際設(shè)備, 可以用實驗的方法測出流體進出口的 壓力降，根據(jù)壓力降和磨擦系數(shù)之間 的關(guān)系式(14)求出湍流摩擦系數(shù)。對流換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式如式(16)所示。2741RelgKs(11)250Re31605000Re3000(12)20Re18405000Re(13)22D l fP(14)8Pr3/2fSt11(15)PmcuStvv(16)D為管段的直徑一一mp為密度kg /m3為體積流速m3/s為動力黏度pascP為比定壓熱容一一KJ /( kg K)um為流體的截面平均流度一一m / sSt為斯坦頓數(shù)Pr為普朗特數(shù)4傳熱面積計算Q=